GIS技術(shù)在瑪納斯河流域生態(tài)治理評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

崔靜芝

（和田水文勘測(cè)局,新疆 和田 848000）

0 引言

隨著西部大開發(fā)的不斷深入,新疆自治區(qū)經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展迅猛,但同時(shí)也帶來了很多環(huán)境問題,尤其是對(duì)區(qū)內(nèi)河流生態(tài)環(huán)境造成了影響。進(jìn)入2010 年以來,自治區(qū)各級(jí)政府陸續(xù)啟動(dòng)了流域生態(tài)治理工程,而應(yīng)用GIS技術(shù)對(duì)其生態(tài)治理效果進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、科學(xué)的評(píng)價(jià)成為當(dāng)前被廣泛研究的內(nèi)容。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

昌吉市瑪納斯河流域總面積約4278.34 km2,項(xiàng)目區(qū)為典型的溫帶大陸性氣候,干旱少雨,但憑借瑪納斯河天然條件,加之流域內(nèi)土地資源豐富,光照充足,目前已成為著名的棉糧基地。進(jìn)入新世紀(jì)以來,隨著項(xiàng)目區(qū)人口、耕地、牲畜數(shù)量增長(zhǎng),流域內(nèi)水資源日益緊張,市政府積極采取調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、打造節(jié)水灌溉工程、實(shí)施流域生態(tài)治理工程等措施,現(xiàn)計(jì)劃利用GIS技術(shù)對(duì)持續(xù)了近15 年的治理措施進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

2 瑪納斯流域生態(tài)治理效果評(píng)價(jià)

2.1 瑪納斯流域生態(tài)治理效果評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

在此根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況和數(shù)據(jù)來源,遵循“代表性、全面性、可操作性”等原則,以生態(tài)效應(yīng)為主要分析內(nèi)容,對(duì)瑪納斯流域進(jìn)行生態(tài)治理效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

（1）評(píng)價(jià)對(duì)象

在此將本文所研究的瑪納斯流域劃分為6 個(gè)子研究區(qū)：瑪納斯灌區(qū)內(nèi)部（C1）、瑪納斯灌區(qū)外圍（C2）、泉山區(qū)（C3）、壩區(qū)（C4）、湖區(qū)（C5）、整個(gè)研究區(qū)（C6）,分別對(duì)其生態(tài)治理效果評(píng)價(jià)（分區(qū)見圖1）[1]。

圖1 項(xiàng)目區(qū)分區(qū)示意圖

（2）評(píng)價(jià)方法

利用GIS系統(tǒng)的空間插值法和遙感反演法分別對(duì)主要生態(tài)因子的時(shí)空變化進(jìn)行分析,制作成平面圖更為直觀展現(xiàn),之后利用主成分分析法來確定各生態(tài)因子的權(quán)重,以此建立研究區(qū)生態(tài)治理效果評(píng)價(jià)模型（由于篇幅限制,不再敘述）[2]。

2.2 相關(guān)數(shù)據(jù)及處理方法分析

（1）非遙感數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目所涉及到的非遙感數(shù)據(jù)主要是2005 年~2020 年間,從分布在項(xiàng)目區(qū)的52 處觀測(cè)井中測(cè)定地下水位埋深和地下水礦化度等數(shù)據(jù)。其中水樣采集頻率為3 次/月,取平均值來作為該月份最終值。

（2）遙感數(shù)據(jù)處理

根據(jù)本文研究需要,選擇2005 年~2020 年間,不同時(shí)期的遙感影像經(jīng)過輻射標(biāo)定、大氣校正、影像裁剪等處理后,被用于觀測(cè)項(xiàng)目區(qū)地表植被生態(tài)恢復(fù)情況的分析（見表1）。

3 GIS技術(shù)在流域生態(tài)治理評(píng)價(jià)中的應(yīng)用分析

為了評(píng)價(jià)瑪納斯流域生態(tài)治理效果,選取3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：項(xiàng)目區(qū)地下水位恢復(fù)效果、地下水礦化度恢復(fù)程度、地表植被恢復(fù)程度[3],下面分別就這3 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

3.1 地下水位恢復(fù)效果評(píng)價(jià)分析

（1）插值方法的確定

GIS系統(tǒng)中共有8 種插值方法,針對(duì)不同的分析對(duì)象,不同插值方法所模擬結(jié)果也會(huì)有所差別。在此以2005 年40 個(gè)觀測(cè)井所采集的地下水埋深數(shù)據(jù)作為不同插值法建立地下水空間分布的模型依據(jù),剩余12 個(gè)觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)用于驗(yàn)證,來確定精度最高的插值法。具體結(jié)果見表1。

由表1 數(shù)據(jù)可知：OK插值法綜合來看在各參數(shù)上都表現(xiàn)較好,因此本項(xiàng)目采用該插值法來評(píng)價(jià)地下水水位和礦化度的恢復(fù)情況[4]。

表1 8種地下水埋深插值模型誤差分析（部分）

（2）地下水埋深時(shí)空分布特征分析

通過OK值法得到了項(xiàng)目區(qū)15 年間的地下水埋深時(shí)空分布DGDM數(shù)據(jù)圖（像元面積20 m×20 m）,具體見圖2（部分）。

由圖2 可知：①在2005 年時(shí),C3、C4 區(qū)地下水埋深已經(jīng)達(dá)到-30 m以下,其他區(qū)域地下水埋深基本在-18 m及以上,差距非常大,主要原因是灌區(qū)灌溉用水量多而猛,其他地區(qū)地下水還來不及轉(zhuǎn)移位置；②在2010 年時(shí),C3、C4 區(qū)地下水位恢復(fù)明顯,-26 m以下范圍相對(duì)于五年前顯著減小,但C2 區(qū)北部地下水位相對(duì)于五年前有著較明顯下降,由-6 m下降至-16 m左右；③2015 年和2020 年基本相差不大,C2 區(qū)北部基本恢復(fù)至-6 m及以上水平。C1、C3、C4區(qū)地下水位基本無變化,保持在-26 m以上水平。

圖2 地下水埋深時(shí)空分布DGDM數(shù)據(jù)圖

（3）地下水位恢復(fù)效果分析

地下水位埋深變化直接反映了其恢復(fù)效果情況,在此以O(shè)K插值法得到的DGDM圖為基礎(chǔ),計(jì)算出不同子研究區(qū)在2005年~2020 年間的平均地下水位變化曲線,見圖3。

由圖3 可知：①2005 年~2010 年間,由于各項(xiàng)治理措施僅僅是推廣階段,所以地下水位仍為不斷下降趨勢(shì),其中泉山區(qū)在2010 年水位達(dá)到最低值,為-26 m；②進(jìn)入2010 年后,各項(xiàng)治理措施落實(shí)到位,其中灌區(qū)內(nèi)部、泉山區(qū)水位基本維持穩(wěn)定,灌區(qū)外圍、湖區(qū)、整個(gè)研究區(qū)水位呈上升趨勢(shì)；③進(jìn)入2015 年后,各區(qū)水位基本處于穩(wěn)定狀態(tài),其中灌區(qū)外圍、湖區(qū)、整個(gè)研究區(qū)維持在較高水平,基本在-16 m；灌區(qū)內(nèi)部水位在-22 m,泉山區(qū)和湖區(qū)穩(wěn)定在-26 m。

圖3 各子研究區(qū)地下水位變化曲線圖

總體而言：持續(xù)了近15 年的治理措施基本遏制了地下水位下降趨勢(shì),使項(xiàng)目區(qū)大部分面積恢復(fù)到了2005 年的水平,治理效果顯著,這對(duì)項(xiàng)目區(qū)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

3.2 地下水礦化度恢復(fù)評(píng)價(jià)分析

（1）地下水礦化度空分布特征分析

通過OK值法得到了項(xiàng)目區(qū)15 年間的地下水礦化度時(shí)空分布DGDM數(shù)據(jù)圖（像元面積20 m×20 m）,具體見圖4（部分）[5]。

由圖4 可知：①整個(gè)研究區(qū),地下水礦化度規(guī)律呈由東北向西南逐漸減小,具有明顯的分帶狀；②從2005 年~2020 年,東北區(qū)的礦化度呈增大趨勢(shì),而西南區(qū)呈減小趨勢(shì)；③研究區(qū)地下水礦化度主要受地下水埋深影響,埋深越淺,會(huì)出現(xiàn)土壤鹽漬化。西南地區(qū)礦化度低,也說明了地下水雖然埋深大,但流動(dòng)性、補(bǔ)給性較好,這也是好現(xiàn)象[6]。

圖4 地下水礦化度時(shí)空分布DGDM數(shù)據(jù)圖

（2）地下水礦化度恢復(fù)效果分析

圖5是項(xiàng)目區(qū)地下水礦化度變化曲線,由圖5可知：①在2005年~2015年間,項(xiàng)目區(qū)地下水礦化度呈逐漸升高趨勢(shì)；②2015年~2020年,灌區(qū)內(nèi)部、泉山區(qū)、湖區(qū)地下水的礦化度突然減小,說明地下水得到了補(bǔ)給。而其他區(qū)依然呈上升趨勢(shì),說明地下水埋深變淺,受土壤鹽漬影響。這些均說明了治理效果取得了成效。

圖5 各子研究區(qū)地下水礦化度變化曲線圖

3.3 地表植被恢復(fù)評(píng)價(jià)分析

在此利用GIS遙感圖經(jīng)GDVI處理后（計(jì)算公式如下）[7],來觀察項(xiàng)目區(qū)地表植被變化情況,見圖6（部分）。

圖6 地表植被時(shí)空分布遙感圖

式中：ρnir為L(zhǎng)andsat影像近紅外光波段；ρred為 Landsat影像紅光波段。

由圖6可知：①項(xiàng)目區(qū)植被覆蓋主要集中在C3、C4、C5子區(qū)內(nèi)；②總體來看,項(xiàng)目區(qū)地表植被在15 年間,恢復(fù)顯著,尤其是C1、C3、C4 區(qū),說明治理效果顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

河道流域生態(tài)環(huán)境治理在當(dāng)前水資源缺乏、國(guó)人環(huán)保意識(shí)日益提高的今天,是很多地區(qū)迫切需要解決的問題之一,而且這一問題的解決需面臨投資周期長(zhǎng)、規(guī)模大、見效慢等突出特點(diǎn),但這是目前的唯一途徑?，敿{斯河流域生態(tài)治理從政策制定到全面落實(shí)持續(xù)至今已超過15年,通過利用GIS技術(shù)從地下水位、地下水礦化度、地表植被等三個(gè)方面來分析,確實(shí)取得了較好的效果,這一系列政策需要常態(tài)化,才能保證地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。